Ilustración esquemática de una sonda STEM que escanea a través de la interfaz de dos compuestos de niquelato, con la naturaleza de los electrones dispersos cambiando a medida que la fase electrónica del material pasa de ser metálica a aislante. Crédito de la imagen:Duncan T.L. Alejandro. Modelo de estructura atómica renderizado usando VESTA. Crédito:Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL)
Las transiciones de fase son un fenómeno central en las ciencias físicas. A pesar de parecer técnico, en realidad son algo que todos experimentamos en la vida cotidiana:el hielo se derrite en agua líquida, o agua caliente que se evapora en forma de vapor. Sólido, líquido, y el gas son tres "fases" bien conocidas y, cuando uno se convierte en otro, esa es una transición de fase.
Óxidos de niquelato de tierras raras, también llamados niquelatos, han atraído mucho interés de los investigadores porque muestran una transición de fase electrónica, que pueden ser explotados en futuros dispositivos electrónicos. Esta transición de fase particular consiste en pasar de un estado metálico que conduce la electricidad a un estado de aislamiento eléctrico a medida que desciende la temperatura.
Detrás de este comportamiento hay una fuerte interacción entre las propiedades electrónicas de estos compuestos y su estructura "reticular":la disposición bien ordenada de los átomos que forma un cristal. Sin embargo, Descubriendo la verdadera naturaleza de esta transición de fase de metal a aislante en niquelatos, y poder controlarlo para posibles dispositivos electrónicos, requiere saber cómo emerge y evoluciona cada fase característica a lo largo de la transición.
Ahora, Los científicos de EPFL y la Universidad de Ginebra han combinado dos técnicas de vanguardia para lograr un mapeo a nanoescala de cada fase electrónica distinta. Publicado en la revista Nano letras , el estudio fue dirigido por el Dr. Duncan Alexander de la Facultad de Ciencias Básicas de la EPFL y el grupo del profesor Jean-Marc Triscone de la Universidad de Ginebra.
El primer autor del estudio, Dr. Bernat Mundet, dice:"Para comprender completamente la física que muestran los materiales electrónicos novedosos y controlarlos en los dispositivos, Se requieren nuevas técnicas de caracterización a escala atómica. A este respecto, hemos sido capaces por primera vez de determinar con precisión las regiones metálicas y aislantes de dispositivos de ingeniería atómica hechos de dos compuestos de niquelato con una resolución casi atómica. Creemos que nuestra metodología ayudará a comprender mejor la física de esta importante familia de materiales electrónicos ".
Imagen STEM de resolución atómica que muestra la estructura cristalina perfecta de una película fina de niquelato, coloreado para representar los dos compuestos. Crédito:Bernat Mundet
Los investigadores combinaron microscopía electrónica de transmisión de barrido con corrección de aberraciones (STEM) con espectroscopía electrónica de pérdida de energía monocromática (EELS).
En STEM, las imágenes se forman escaneando un haz de electrones, enfocado a un punto de aproximadamente 1 Ångstroms de tamaño, a través de una muestra suficientemente delgada, en este caso una astilla de niquelato, y recolectando los electrones transmitidos y dispersos con el uso de detectores anulares. Aunque técnicamente exigente, esta técnica permite a los investigadores visualizar con precisión la estructura reticular de un cristal, fila atómica por fila atómica.
Para la segunda técnica, Anguilas en su lugar, se recogen los electrones que pasan a través del orificio central del detector anular. Algunos de estos electrones han perdido previamente algo de energía debido a su interacción con los átomos de Ni del cristal de niquelato. Midiendo cómo cambia esta diferencia de energía, podemos determinar el estado metálico o aislante del compuesto de niquelato.
Dado que todos los electrones se dispersan y recolectan simultáneamente, los investigadores pudieron correlacionar los cambios de estado electrónico con las posiciones de la red asociadas en los diferentes compuestos de niquelato. Este enfoque les permitió mapear, por primera vez, la configuración espacial de sus regiones metálicas o aislantes, alcanzando una resolución espacial muy alta de alrededor de 3,5 Ångstroms (0,35 nanómetros). La técnica será una valiosa herramienta para estudiar y orientar la ingeniería atómica de estos novedosos materiales electrónicos.
"Los últimos microscopios electrónicos nos brindan una capacidad asombrosa para medir una variedad de propiedades físicas de materiales con resolución espacial atómica o nanométrica, "dice Duncan Alexander." Aquí, llevando al límite las capacidades del microscopio Titan Themis de EPFL, damos un gran paso adelante en este ámbito, demostrando que podemos medir los cambios en el estado electrónico a través de una estructura de película delgada hecha con precisión de dos niquelatos diferentes. Nuestro enfoque abre nuevas vías para investigar la física de estos compuestos de niquelato, que han despertado el interés de la investigación en todo el mundo ".
"La combinación de materiales artificiales asombrosos que muestran una transición de metal a aislante y microscopía electrónica muy avanzada ha permitido investigaciones detalladas sin precedentes de sus propiedades electrónicas, "añade Jean-Marc Triscone." En particular, reveló, a escala atómica, si el material es conductor o aislante, una cuestión importante para comprender mejor estos materiales que pueden utilizarse en enfoques informáticos futuros ".
